包括匀速圆周运动和变速圆周运动,运动轨迹为圆,这里匀速和变速,指的是速度大小。速度方向一直在变化。速度分为线速度和角速度,线速度方向为圆的切线方向。对于匀速圆周运动,所受合力为指向圆心的向心力,该力只改变速度方向。对于变速圆周运动,受到向心力和切线方向的力共同作用,其中切线方向的力改变线速度的大小。

如果物体要做圆周运动,就需要有向心力,因为基于牛顿第一定律,力是运动状态改变的原因,圆周运动一直在改变运动方向,向心力是改变运动方向的原因。

高一物理力和运动知识点(浅谈高一物理的运动和力)(1)

圆周运动公式不多,但物理意义理解起来,却比平抛运动要难一些。

因而要学好圆周运动,需要整理理解物理意义,不然总会模模糊糊,遇到复杂的场景就会无法分析。

之前力改变运动状态,基本都是改变速度大小,力越大,速度大小改变越快。

对于圆周运动,速度改变的是方向,且速度越大,即转动的越快,速度方向改变的越快。向心力是改变速度方向的,所以速度方向改变越快,所需的向心力越大。这个和我们平时玩的时候甩动一个东西的感受是一致的。

但向心力和半径的关系,则不是独立的,需要和速度一起考虑,不能有半径越大向心力越大之类的说法。

一般分析向心力时,不考虑阻力,即匀速圆周运动。如果考虑阻力时,就有了一个沿切线和线速度方向相反的力,会使转速下降,同时向心力也会变小。而如果有个动力,即一个沿切线和线速度方向相同的力,会使转速上升,同时向心力也会变大。此时合力F如下图所示。

高一物理力和运动知识点(浅谈高一物理的运动和力)(2)

在做向心力分析时,需要明白那个力或哪几个力真正提供了向心力,哪些力其实没有提供向心力或者起了反作用。

比如下面这个图:

高一物理力和运动知识点(浅谈高一物理的运动和力)(3)

向心力是由拉力F提供的,重力和向心力垂直,拉力F需要有向上的分力平衡重力。

在下面汽车过桥面时,重力提供向心力,这是对桥面的压力会变小,可见力不能一心二用,用于改变运动方向,就不能在施加压力给桥面了。

高一物理力和运动知识点(浅谈高一物理的运动和力)(4)

对于空间站或飞船中的失重情况,和桥面类似,因为人受到的重力都用于向心力,就无法对空间站地板产生压力,也就可以飘起来了,所以重力不能一心二用。

至于离心运动,是因为向心力不足,无法足够快的改变运动方向,导致物理沿切线方向飞出去或慢慢远离圆心,无法保持圆周运动。

做圆周运动的题目,第一是要找到那个圆形运动轨迹,以及圆心和半径。第二是要分析研究对象受力的合力作为向心力。

下面看一个题目。

高一物理力和运动知识点(浅谈高一物理的运动和力)(5)

高一物理力和运动知识点(浅谈高一物理的运动和力)(6)

分析

这道题主要是考的是对自行车绕圈运动的受力模型建立,

首先找到那个圆。 这个要建立一个空间想象,圆和圆心在过运动员重心与地面平行的平面上,因而向心力也和地面平行。向心力水平向右,指向圆心。

第二做受力分析。需要建立坐标系,以及研究对象受到哪些力的作用。

受力分析及坐标系建立如下图:

高一物理力和运动知识点(浅谈高一物理的运动和力)(7)

对于第一问,因为没有摩擦力,即向心力全由支持力N提供,mg被N的向上分力平衡,没有起到提供向心力的作用。

这个比较容易做。

第二问,因为速度大于第一问的得到的速度,即向心力不能只靠N提供,自行车有向外做离心运动的趋势,需要有摩擦力帮忙,因而,会有一个向内的摩擦力,其水平分量提供向心力。这样,做上图中的坐标系,N的向上分力平衡f的向下分力和mg,N和f的水平分力提供向心力。这样,就可以联立两个方程,进行求解。

这一问关键是要理解这种场景,自行车速度过快可能会向外漂移的情况,从而理解摩擦力的产生原因。

所以,物理和数学的不同,在于要理解实际物理环境的各种因素,就像失重情况的理解,如果不细心思考和体会,是很难真正理解清楚的。

因而,学好物理,不仅仅要明白原理,还要理解不同场景的物理环境,这就要多做题并消化吸收才行。

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